Metodología numérica automatizada para la evaluación de la respuesta dinámica de construcciones prehispánicas de piedra de junta seca en el Perú
Saved in:
| Title: | Metodología numérica automatizada para la evaluación de la respuesta dinámica de construcciones prehispánicas de piedra de junta seca en el Perú |
|---|---|
| Authors: | Lipa Cusi, Leonel |
| Contributors: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Civil i Ambiental |
| Thesis Advisors: | Pelà, Luca, Tarque Ruiz, Sabino Nicola |
| Source: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Publisher Information: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2024. |
| Publication Year: | 2024 |
| Physical Description: | 231 p. |
| Subject Terms: | Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil, 624 - Enginyeria civil i de la construcció en general |
| Description: | Tesi amb menció de Doctorat Internacional |
| Description (Translated): | Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Pontificia Universidad Católica del Perú (English) The study and the conservation of stone heritage is a global concern, mainly when these constructions are in seismic zones. Due to its great cultural and historical diversity, Peru has many stone constructions in different archaeological sites, covering different construction typologies. Unfortunately, many of these constructions have not yet been structurally evaluated, so their structural behaviour is unknown. In addition, there is no classification of the stone structural typologies (taxonomy), so the different characteristics of existing constructions are unknown. One way to study the non-linear dynamic behaviour of these stone structures is to use a rigorous -but fast- numerical methodology to adequately reproduce the different failure mechanisms based on the dynamics of rigid bodies within the finite element method. Then, this work presents a taxonomic classification of prehispanic stone constructions in Peru, derived from a field study, as the first contribution. Based on this taxonomy, several archaeological sites in Puno and Cusco were classified, and the most common typologies of these regions were identified. The research also proposes novel algorithms developed in Python to obtain the geometric model of dry-joint stone structures using images taken by a camera, a mobile phone, or an existing photograph (including identification of stones and joints, named image segmentation). These routines allow the creation of a 3D model of each block (stone), assembling them, and exporting them to a finite element program for further evaluation. Regarding developing a numerical methodology, the dynamic of rigid bodies within the finite element method is proposed here. Each stone block is considered a rigid body interconnected with other blocks through nonlinear interfaces. This methodology was validated using Abaqus, based on the results of experimental tests developed in this thesis. The experimental campaign was carried out on three walls built with concrete blocks, simulating the geometry of the Inca structures. The walls were built on a tilting table and tested by rotating them out of the plane of the wall. Then, numerical models of the tests were developed by considering each stone as a rigid body and calibrating the contact properties to simulate the experimental behaviour correctly. The numerical results in weight, collapse angle, relative displacements at different points of the structure and collapse mechanisms were very similar to those obtained in the experimental campaign. As a case study, a section of an Inca stone wall from Sacsayhuaman, Cusco, was numerically evaluated using various seismic records. The complete geometric model of the stone wall was automatically obtained using the Python routines. Furthermore, discrete element particles represented the soil behind the wall. The properties of the numerical model were obtained from the experimental campaign, and the predominant frequencies of the structure were obtained using the vibration approach. As a result, the structure can adequately support these seismic records scaled up to a peak acceleration of 0.1 g. However, it suffers significant residual displacements for scaled records greater than 0.2 g. The proposed numerical methodology allows the rigorous evaluation of dry-jointed stone structures, knowing if the structure should be intervened to ensure its functionality. Therefore, it is expected that the results of this research will be used to study other stone constructions, opening possibilities for improving the methodology for different structural configurations. (Català) L'estudi i la conservació del patrimoni d'estructures de pedra és una preocupació mundial, sobretot atès que aquestes construccions estan ubicades en zones sísmiques. A Perú, a causa de la seva gran varietat cultural i històrica, hi ha un gran nombre de construccions de pedra, abastant diverses tipologies constructives. Lamentablement, gran part d'aquestes construccions encara no han estat avaluades estructuralment, per la qual cosa se'n desconeix el comportament estructural. Tampoc es compta amb una taxonomia de tipologies estructurals i, per tant, diverses característiques de les construccions existents són desconegudes. Una manera d'avaluar el comportament dinàmic no lineal d'aquestes estructures és fer servir una ràpida i rigorosa metodologia numèrica que reprodueixi adequadament els diferents mecanismes de fallada, basada en la dinàmica de cossos rígids sota l'enfocament del mètode d'elements finits. Com a primera contribució, en aquesta tesi es presenta una classificació taxonòmica de construccions prehispàniques de pedra a Perú a partir d'un estudi de camp. A partir d'aquesta taxonomia, es classifiquen diversos llocs arqueològics de les regions de Puno i Cusco i s’identifiquen les tipologies més recurrents d'aquestes regions. D'altra banda, s’elaboren codis amb Python, per a l'obtenció del model geomètric d'estructures de junta seca, a partir de les imatges fetes per una càmera, o d'una fotografia existent (incloent-hi la identificació de les pedres i les juntes a través de la segmentació d'imatges). Aquestes eines permeten crear el model 3D de cada bloc (pedra), acoblar-los i exportar-los a un programa d'anàlisi numèric per a avaluacions posteriors. Per al desenvolupament de la metodologia numèrica, es proposa la dinàmica de cossos rígids sota l’enfocament del mètode dels elements finits. Cada bloc de pedra es considera com un cos rígid interconnectat amb altres blocs mitjançant interfícies no lineals. Aquesta metodologia es valida usant models implementats amb Abaqus, validats amb els resultats d'assajos experimentals realitzats en aquesta tesi. Durant el desenvolupament de la campanya experimental es van construir tres murs amb blocs de concret, simulant la geometria d'estructures Inca. Els murs van ser construïts sobre una taula inclinable i van ser assajades per bolcada fora del seu pla. Després, es van elaborar models numèrics d'aquests assaigs, en els quals es van calibrar les propietats de contacte per tal que simulin correctament el comportament experimental. Els resultats numèrics en termes d'angle de col·lapse, desplaçaments relatius i mecanismes de col·lapse van ser molt similars als mesurats experimentalment. Com a cas d'estudi, es va avaluar numèricament la secció d'un mur de contenció Inca de Sacsayhuaman, Cusco, davant de diverses accions sísmiques. El model geomètric complet del mur de pedra es va obtenir mitjançant les eines desenvolupades amb Python. El terreny contingut darrere el mur es va representar mitjançant partícules d'elements discrets. Les propietats del model numèric van ser calibrades fent referència a la campanya experimental i el calibratge de les freqüències predominants de l'estructura es va obtenir mitjançant un enfocament basat en vibracions. Els resultats numèrics mostren que l'estructura pot suportar adequadament els registres sísmics escalats fins a una acceleració de 0.1 g; tanmateix, l'estructura pateix desplaçaments romanents considerables per a registres escalats superiors o iguals a 0.2 g. La recerca permet concloure que la metodologia plantejada és útil per avaluar les estructures en pedra de junta seca d'una manera rigorosa, conèixer si l'estructura ha de ser intervinguda i assegurar-ne la seva funcionalitat. S'espera que els resultats d'aquesta tesi doctoral puguin contribuir a l'estudi de les construccions patrimonials de pedra i puguin obrir noves possibilitats de millores de la metodologia proposta davant de diverses configuracions estructurals. (Español) El estudio y la conservación del patrimonio de estructuras de piedra es una preocupación mundial, sobre todo, si estas construcciones están ubicadas en zonas sísmicas. En el Perú -debido a su gran variedad cultural e histórica- existe un gran número de construcciones de piedra en diferentes sitios arqueológicos, abarcando varias tipologías constructivas. Lamentablemente, gran parte de estas construcciones aún no han sido evaluadas estructuralmente, por lo que se desconoce su comportamiento estructural. También, no se cuenta con una taxonomía de tipologías estructurales y, por ende, diversas características de las construcciones existentes son desconocidas. Una forma de evaluar el comportamiento dinámico no lineal de estas estructuras es usando una rigurosa -pero rápida- metodología numérica que reproduzca adecuadamente los diferentes mecanismos de fallo, basados en la dinámica de cuerpos rígidos bajo el enfoque del método de elementos finitos. Como una primera contribución, en este proyecto se presenta una clasificación taxonómica de construcciones prehispánicas de piedra en el Perú a partir de un estudio de campo. A partir de esta taxonomía, se clasificaron diversos sitios arqueológicos de las regiones de Puno y Cusco, y se identificaron las tipologías más recurrentes de estas regiones. Por otro lado, se elaboraron novedosos códigos en Python, para la obtención del modelo geométrico de estructuras de junta seca, a partir de las imágenes tomadas por un cámara, o de una fotografía existente (incluyendo la identificación de las piedras y las juntas por medio de la segmentación de imágenes). Estas rutinas permiten crear el modelo 3D de cada bloque (piedra), ensamblarlos y exportarlos a un programa de análisis numérico para evaluaciones posteriores. Para el desarrollo de la metodología numérica, se propone la dinámica de los cuerpos rígidos bajo el enfoque del método de los elementos finitos. Cada bloque de piedra se considera como un cuerpo rígido interconectado con otros bloques mediante interfaces no lineales. Esta metodología es validada usando Abaqus, basado en los resultados de ensayos experimentales en esta tesis. En la campaña experimental se construyeron tres muros con bloques de concreto simulando la geometría de estructuras Inca. Los muros fueron construidos sobre una mesa inclinable y fueron ensayadas por volteo fuera de su plano. Luego, se elaboraron modelos numéricos de estos ensayos, en los cuales se calibraron las propiedades de contacto con tal que simulen correctamente el comportamiento experimental. Los resultados numéricos del peso, el ángulo de colapso, los desplazamientos relativos en distintos puntos de la estructura y los mecanismos de colapso fueron muy similares a los registrados experimentalmente. Como un caso de estudio, se evaluó numéricamente la sección de un muro de contención Inca de Sacsayhuamán, Cusco, frente a diversas acciones sísmicas. El modelo geométrico completo del muro de piedra se obtuvo mediante las rutinas de Python. El terreno contenido detrás del muro se representó por partículas de elementos discretos. Las propiedades del modelo numérico fueron tomadas de la campaña experimental y de calibración, y las frecuencias predominantes de la estructura se obtuvieron por medio del enfoque de vibraciones. Se verificó que la estructura puede soportar adecuadamente estos registros sísmicos escalados hasta una aceleración pico de 0.1 g; sin embargo, la estructura sufre desplazamientos remanentes considerables para los registros escalados superiores o iguales a 0.2g. Se concluye que la metodología planteada permite evaluar las estructuras piedra de junta seca de una manera rigurosa, y así conocer si la estructura debe ser intervenida para asegurar su funcionalidad. Se espera que los resultados de esta tesis doctoral sean tomados para el estudio de las construcciones patrimoniales de piedra, y abra posibilidades de mejoras de la metodología ante diversas configuraciones estructurales. DOCTORAT EN ENGINYERIA DE LA CONSTRUCCIÓ (Pla 2012) |
| Document Type: | Dissertation/Thesis |
| File Description: | application/pdf |
| Language: | Spanish; Castilian |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-451803 |
| Access URL: | http://hdl.handle.net/10803/696469 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-451803 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ |
| Accession Number: | edstdx.10803.696469 |
| Database: | TDX |
| Abstract: | Tesi amb menció de Doctorat Internacional |
|---|---|
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-451803 |